一种用于石油炼制反应模型的事后动力学可解释性分析方法

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：A post-hoc kinetic interpretability analysis approach for petroleum refining reaction models

　　

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  事后可解释性分析方法阐明了炼制过程中的反应动力学。
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  定向物种相互作用分析算法量化了物种间的耦合强度。
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  核心网络可视化地展示了关键物种的转化机制和反应路径。
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  该方法揭示了催化重整模型之间的不同动力学特征并对其进行评估。
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  机理层面的洞察支持动力学模型验证并提高了建模精度。

引言

在当前的第四次工业革命[1]中，石油炼制行业经历了显著的进步。过程模拟和建模技术已被广泛采用，以促进更绿色、更高效的炼制过程[2]，提高燃料产品质量，并增强企业竞争力[3]。为了更准确地将炼制过程的基本现象纳入模型，过程建模方法已从集总模型[4]、[5]、[6]发展为分子级炼制模型[7]、[8]、[9]，对油质组成和反应机理的描述日益细化。这一趋势导致动力学的表示更加复杂，需要确定的参数数量也大幅增加，从而给参数估计和模型校准带来了重大挑战。先进的参数估计[10]、[11]和优化算法[12]以及KMT[13]和gPROMS[14]等集成动力学建模软件已被开发以应对这些挑战。然而，炼制原料和反应机理固有的复杂性，特别是在重油加工中，使得获得所有动力学参数的精确值变得困难。此外，对这些模型中复杂的反应动力学机理进行全面解读和理解仍然有限。因此，需要系统地阐明现有模型中的反应动力学，即事后可解释性分析，从而确保工业炼制过程得到准确表示。

在现有反应模型中，物种相互作用和转化机理直接反映了基本的动力学特征，为事后可解释性分析提供了明确的物理基础。物种间的相互作用可以表示为网络图，其中节点对应物种，边表示它们通过复杂反应的相互作用。基于网络的定性定量分析为深入了解动力学模型提供了一种有前景的方法。社区检测[15]、[16]、[17]是一种经典的网络定性分析方法，已被用于识别化学反应网络中密集相互作用的物种类群，如蒸汽裂解网络[18]和甲烷燃料系统[19]。然而，社区检测方法在区分同一社区内具有不同相互作用强度的物种方面存在局限性。为解决这一问题，Lu等人[20]、[21]引入了一种基于反应速率的有向关系图（DRG）方法，定量分析了燃料、氧气和二氧化碳等关键物种与燃烧网络中其他物种之间的相互作用，从而实现了反应机理的简化。结合DRG方法，Pepiot等人[22]提出了一种误差传播（DRGEP）方法，用于选择对目标物种重要的精细化学反应路径。Sun等人[23]开发了一种定向路径通量分析（PFA）方法，以识别关键物种的关联物种，并在广泛的参数范围内生成更精确的简化机理。

DRG、DRGEP和PFA方法主要为标准烃类燃烧模型设计，其中关键反应机理受有限数量的进料物种控制。相比之下，炼制原料表现出更高的组成复杂性，导致更复杂且高度耦合的反应动力学。这使得确定主导物种并阐明控制其转化的反应机理变得更加困难。因此，现有的关于炼制模型的分析研究主要集中在整个反应网络的整体动力学行为上，而不是单个物种之间的精细相互作用。这些发现主要指向反应网络的简化，通过网络结构[24]、[25]或动力学分析[26]识别并移除较不重要的反应或物种来实现。仍然面临的挑战包括：（i）将关键物种识别与特定物种转化机理的研究相结合，以及（ii）在不同条件下系统比较和评估不同的动力学模型。

为应对这些挑战，我们提出了一种针对炼制模型的事后动力学可解释性分析方法。该方法从三个分析视角推进了对反应动力学的机理理解：单个反应、物种相互作用和核心反应网络。首先，采用单个反应的摩尔流量分析，为整个过程中每个反应的贡献提供具有物理意义的量化。基于这些动力学指标和网络拓扑结构，我们开发了定向物种相互作用分析（DSIA）算法，以有效量化网络中所有物种对任意目标物种的影响。随后，通过关注工业生产中的关键物种，我们识别出关键反应路径并提取核心反应网络。生成的可视化直观地揭示了潜在的转化机理，结合专业知识后，能够系统地比较和评估不同的动力学模型。

各章节摘要

方法

图1展示了所提出的事后动力学可解释性分析流程及其在石油炼制过程建模中的作用。石油炼制动力学模型通常具有相似的网络结构（即物种和反应类型），差异主要来自不同的动力学参数估计和优化方法。所提出的方法（绿色框中）针对这些现有模型，并整合了三个顺序组件：单个

结果与讨论

石脑油催化重整是一种重要的炼制过程，可提高汽油的辛烷值，并生产高附加值的芳烃，同时以氢气作为有价值的副产品。我们利用可靠的实验数据和反应机理研究成果[35]、[36]、[37]、[38]开发了催化重整的分子级动力学模型。该动力学模型基于阿伦尼乌斯方程和线性自由能关系[39]（详情见

结论

本研究提出的事后动力学可解释性分析方法连接了物种转化机理与微观动力学行为，从而增强了对炼制过程模型中反应动力学的全面理解。该方法实施了单个反应摩尔流量分析、定向物种相互作用分析（DSIA算法）和核心网络提取，为物种转化机理和模型提供了新的见解

CRediT作者贡献声明

陶毅：写作 – 原稿，软件，方法论，调查，概念构思。毕可心：写作 – 审阅与编辑，资金获取，概念构思。邱童：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，概念构思

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益声明

? 作者声明他们不存在可能被认为会影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作由国家自然科学基金委员会（22408238）、辽宁省青年英才培育计划以及中国化工学会（2025HYB001）资助。

陶毅|毕可心|邱童